CAN总线在汽车控制系统中的研究与应用.pdf

姜竹胜 王启瑞 陈无畏 摘要： 关键词：微控制器 网关 C A N 网络 采用P h i l i p s 公司的P 8 7 C 5 9 1 作为微控制器兼作网关，构造C A N 通信网络，对汽车控制系 统进行控制，讲述了C A N 总线在汽车计算机控制系统中的应用情况, 并指出C A N总线网络作为一种极 具潜力的控制器局域网, 在汽车计算机控制系统中有着广阔的应用前景。 1引言 随着汽车计算机控制技术的不断发展，现代汽车 上的计算机控制系统越来越多，联系也越来越紧密。如 发动机控制、变速控制、制动防抱死控制、安全气囊控 制、照明控制、空调控制、仪表管理等。原来的汽车上 这些计算机控制单元之间往往没有通过总线构成网络， 而是独立进行控制，或者相关控制单元通过串行口进行 联 系 。 现 在 很 多 汽 车 采 用 C A N （ C o n t r o l l e rA r e a N e t w o r k ）总线将它们联系起来，但是现代汽车计算机 控制单元多，各控制单元对系统响应时间的要求不一 样。有些系统对实时性要求很高，系统指令发出以后如 果得不到执行器的及时响应，就可能造成严重后果甚至 车毁人亡，如制动防抱死控制单元、安全气囊等；而有 些系统如照明控制、空调控制等对系统的响应时间要求 就相对较低。 由于计算机控制单元越来越多，采用单网络 C A N 总线负荷很重，笔者通过分别构造高、低速C A N 网 络，对实时性要求高的计算机控制单元采用高速C A N 网 络传输；其它采用低速C A N 网络传输，并采用微控制器 兼作网关。使得传输线束大大简化，可靠性大大提高。 2C A N 总线的技术特性 3基于P 8 7 C 5 9 1 的汽车计算机控制 C A N( C o n t r o l l e r A r e a N e t w o r k ) 总线是一种串行多主 站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯 可靠性和实时性，简单实用，网络成本低。特别适用于 汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振 动大的工业环境。 通讯媒体可以是双绞线、同轴电缆 或光导纤维，数据传输速率可达1 M b i t s / s （此时通信距 离最长为4 0 m ）。C A N 总线还广泛应用于汽车、船舶、 机器人、楼宇自动化等场合。 自C A N 总线问世以来，为满足C A N总线协议的多 种应用需要，相继出现了几种高层协议。目前大多数基 于C A N总线的网络都采用C A N总线的高层协议。 C A N o p e n , D e v i c e N e t 和S D S 是通常采用的高层协议，适 用于任何类型的工业控制局域网应用场合，而 C A L 则 应用于基于标准应用层通讯协议的优化控制场合， S A E J 1 9 3 9 则应用于卡车和重型汽车计算机控制系统。 P 8 x C 5 9 1 是一个单片8 位高性能微控制器，具有片 3 . 1P 8 7 C 5 9 1 C A N总线在汽车控制系统中的研究与应用 试验与研究 43 内C A N控制器，从8 0 C 5 1 微控制器家族派生而来。它采 用了强大的8 0 C 5 1 指令集并成功的包括了P h i l i p s 半导体 S J A 1 0 0 0 C A N控制器的P e l i C A N 功能。全静态内核提供 了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数 据。改进的1 ：1 内部时钟预分频器在1 2 MH z 外部时钟 速率时实现5 0 0 n s 指令周期。微控制器以先进的C M O S 工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了 8 0 C 5 1 的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专 用的硬件功能。P 8 x C 5 9 1 组合了P 8 7 C 5 5 4 （微控制器） 和S J A 1 0 0 0 ( 独立的C A N控制器) 的功能，并具有下面的 增强特性：增强的C A N 接收中断；扩展的验收滤波 器；验收滤波器可“c h a n g e o n t h e f l y ”。 目前，汽车计算机控制已经涉及到动力性、经济 性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等诸多方面，具 体包括发动机控制，变速器控制、巡行控制，制动控 制，照明控制，空调控制，雨刷控制，仪表管理系统 等，而且各种控制系统的电控单元（E C U ）相互联系紧 密，需要随时进行实时数据通信，C A N 总线作为一种极 具应用潜力的控制器局域网总线，近年来在汽车计算机 控制系统中得到越来越广泛的应用，并已成为欧洲汽车 制造业主体行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流 发展趋势。 汽车计算机控制系统中的所有这些子控制系统通 过C A N 总线构成一个实时控制系统网络，各控制单元的 指令发出去之后，必须保证在一定时间内得到响应，要 不然就有可能发生重大事故，这就要求汽车上的C A N 通 信网络有较高的波特率设置和可靠性。而且，汽车在实 际运行过程中，众多节点之间需要进行大量的实时数据 交换。若整辆汽车的所有节点都挂在一个C A N网络 上，这么多节点通过一条C A N 总线进行通信，信息管理 配置稍有不当，就很容易出现总线负荷过大，将导致系 统实时响应速度下降，这在实时系统中是不允许的。因 此我们在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后，根 据各节点对实时性的要求，设计了高、低速两个速率不 同的 C A N通信网络。将实时性要求严格、可靠性要求 高的节点组成高速C A N 通信网络，将其它实时性要求相 3 . 2系统实现 对较低的节点组成低速C A N 通信网络，并架设网关将这 两个速率不同的C A N 通信网络连接起来，实现全部节点 之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图1 所示。 图1 中的发动机控制、变速器控制、安全控制、防 抱死制动控制（A B S ）等控制单元节点是现代汽车动作 的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采 用传输速率为5 0 0 K b p s 的高速C A N 通信网络。空调控 制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对 实时性的要求较低，采用传输速率小于1 2 5 K b p s 的 C A N 通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各 节点进行数据交换，兼起网关的作用，实现网络互连。 电控单元的微控制器（P 8 x C 5 9 1 ）通过数据总线经 过 光 电 隔 离 器 （ 6 N 1 3 7 ） 与C A N总 线 控 制 器 （S J A 1 0 0 0 ）直接相连, 由于 C A N 总线控制器带有一个 接收缓冲器和一个发送缓冲器，因此，C A N 总线控制器 的发送端口T x 0 ，接收端口R x 0 、R x 1 分别与 C A N 总线发 送接收器的T x D 和R x D 、V r e f 端口直接相连，C A N _ L 和 C A N _ H 是C A N 总线的两条差分接收发送线。它们的端 点间各接一个1 2 0 的总线匹配电阻，当有节点占用 C A N 总线时，该节点的发送端( 电平为3 . 5 ) 接C A N _ H ， 接收端( 电平为1 . 5 V ) 接C A N _ L ；当无节点占用C A N 总线 时，C A N _ L 和 C A N _ H 上的电平均为 2 . 5 V 。 为满足C A N 总线协议，T MS 3 2 0 L F 2 4 0 2 A 配置了两 个C A N 通信接口卡。该接口卡以P H I L I P S 公司生产的 图1汽车C A N 网络拓扑结构 发动机控制 E C U 变速器控制 E C U 安全控制 E C U A B S E C U 主控制器（网关） 空调控制 E C U 雨刷控制 E C U 照明控制 E C U 仪表管理 E C U 高速C A N 总线 低速C A N 总线 试验与研究 44 S J A 1 0 0 0 作为通信控制器，S J A 1 0 0 0 是P C A 8 2 C 2 0 0 的替代 产品，它实现了C A N 总线物理层和数据链路层的所有功 能，P C A 8 2 C 2 0 0 支持C A N 2 . 0 A 协议，可完成基本的 C A N 模式。而S J A 1 0 0 0 可完成增强C A N 模式（P e l i C A N ），支持C A N 2 . 0 B 协议，适用于汽车和一般工业环 境。C A N 通信接口卡由C A N 控制芯片、C A N 驱动芯片以 及光电隔离电路组成。S A J 1 0 0 0 可以完成C A N 的物理层 和数据链路层的所有协议功能。S J A 1 0 0 0 为C A N 总线收 发接口，具有抗汽车恶劣电气环境下的瞬间干扰、保护 总线的能力。它是C A N 控制器与物理总线之间的接口， 可提供对总线的差动发送和接收。为了进一步提高抗干 扰措施，在两个C A N 器件之间使用了高速隔离器件 6 N 1 3 7 构成隔离电路。C A N 通信接口卡的原理电路如图 2 所示。 图2C A N 通信接口卡原理电路 3 . 3软件设计 本系统软件由总的系统软件和高（低）速C A N 总 线网络单元软件组成，软件流程图如图3 和图4 所示。其 中图4 高速C A N 总线网络单元负责对实时性要求高的发 动机控制、变速控制、安全控制和制动防抱死控制 （A B S ）单元的控制动作的采集和传送，一旦有这些控 制单元动作信号，经过微控制器对它们进行处理后将以 最快的速度通过高速C A N 网络传给相应控制单元的 E C U ，由控制单元E C U 对控制对象进行控制；低速 C A N 总线网络的控制方法与此类似，但是由于它们的实 时性要求相对前者不高，因此它们的传输优先级相对较 低。 在这里我们只介绍了高速C A N 总线网络单元软件图3 总的系统软件流程图 D S P 初始化、高、低 速C A N 总线初始化 高速C A N 网络 低速C A N 网络 高速 C A N 网 络忙 试验与研究 45 流程图，低速C A N 总线网络单元软件流程图与此类似。 考虑到汽车计算机控制的工作条件比较恶劣， 电磁干扰严重，在本设计中笔者还加强了防干扰措施： 考虑汽车工作环境电磁干扰严重在选用微控制器时特选 用自带看门狗定时器的P 8 x C 5 9 1 作为微控制器，并选用 4 片高速光电隔离芯片6 N 1 3 7 ，将I / O 信号与S J A 1 0 0 0 隔 离，有效防止了噪声信号通过S J A 1 0 0 0 传入微控制器， 3 . 4抗干扰措施 图高速总线网络单元软件流程图4CAN 提高了系统可靠性。 C A N总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在 许多先进汽车上得到应用，使得各汽车计算机控制单元 能够通过 C A N总线共享所有信息和资源，达到简化布 线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可 靠性和维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制 系统的目的。 目前，国外有关这方面研究越来越多也越 来越成熟，而国内在这方面的应用研究起步较晚，但是 市场潜力很大，相信在不久的将来，随着汽车计算机控 制系统数目的不断增加，C A N总线必定会在国内汽车计 算机控制系统网络中得到更加广泛的应用。 4小结 参考文献： 1 史久根 张培仁等著. C A N 现场总线系统设计技 术. 北京：国防工业出版社，2 0 0 4 2 司立增著. 汽车计算机控制系统北京：人民交通 出版社，2 0 0 2 3 高松，应启戛，魏民祥.C A N 总线及其在汽车计算 机控制系统中的应用 J . 上海理工大学学报， 2 0 0 2 ，2 4 ( 3 ) ：2 9 9 3 0 1 4 喻国安，徐宏炳，巫超. C A N 总线技术及其在汽车 控制中的应用 J . 现代计算机，2 0 0 3 ，（1 6 5 ）， 1 5 1 8 5 宫江海， 唐厚君， 孔 俊. C A N 总线在电动汽车上 的应用研究 J .工业控制计算机，2 0 0 3 ，1 7 ( 3 ) ： 2 3 2 4 ，5 1 6 张重雄，王波.C A N 通信网络在汽车综合性能检 测中的应用 J .微处理器，2 0 0 2 （5 ）：2 7 2 9 D S P 初始化、高速 C A N 节点初始化 选通发动机控 制通道 选通安全控 制通道 采样时 间到 取发动机动 作信号 数据转换 数据发送 选通变速器 控制通道 采样时 间到 取变速器动 作信号 数据转换 数据发送 采样时 间到 取安全控制 动作信号 数据转换 数据发送 选通A B S 通道 采样时 间到 取A B S 动 作信号 数据转换 数据发送 Y e s N o Y e s N o Y e s N o N o Y e s 试验与研究 46